Ogólna charakterystyka wybranych elementów wykonawczych i pomiarowych w obiektach regulacji i sterowania w inżynierii środowiska Wykład 5
ELEMENTY WYKONAWCZE I POMIAROWE AUTOMATYKI Schemat blokowy układu regulacji z w +_ e u y obiekt urządzenie regulacji regulator wykonawcze obiekt regulacji y m element pomiarowy y
ELEMENTY WYKONACZE Element wykonawczy jest to urządzenie wymuszające zmiany wielkości regulowanej. W przypadku układów regulacji i sterowania w inżynierii środowiska elementem wykonawczym jest najczęściej: pompa, wentylator, podajnik, przepustnica powietrza, zawór regulacyjny.
Konstrukcje zaworów regulacyjnych przelotowych (jednodrogowych)
Elementy wykonawcze w węźle ciepłowniczym Zawór regulacyjny Pompa
Zastosowanie zaworów przelotowych Zawór regulacyjny węzeł ciepłowniczy Zco 5 Zcw c.w.u. WCO WCWII c.o. LC2 cyrk. 6 1 2 WCWI sieć LC1 ΔpRRC ZRRC 4 3 w.z.
Zawór trójdrogowy: a) mieszający, b) rozdzielający
Sposoby montażu zaworów trójdrogowych a) zawór mieszający, b) zawór mieszający pełniący funkcję zaworu rozdzielającego, c) zawór rozdzielający
Zastosowanie zaworów regulacyjnych trójdrogowych w kotłowni Zawór regulacyjny T T T STB H T P T H T P T T T T STB T T M
Zastosowanie zaworów regulacyjnych trójdrogowych w wentylacji (mieszający i rozdzielający) y=t i T u ch y w u g
Napędy W inżynierii środowiska najczęściej stosowanymi napędami są: - siłowniki zaworów iprzepustnic, - silniki pomp iwentylatorów. Siłowniki służą do zmiany stopnia otwarcia zaworów i przepustnic a silniki do utrzymania stałej lub zmiennej prędkości obrotowej pomp iwentylatorów.
Napędy zaworów regulacyjnych Jako napędy zaworów regulacyjnych stosuje się a) w układach nieelektrycznych siłowniki: mechaniczne, hydrauliczne, pneumatyczne, b) w układach elektrycznych siłowniki: elektryczne, elektrohydrauliczne, termoelektryczne, elektromagnetyczne,
ELEKTRYCZNE SIŁOWNIKI ZAWORÓW REGULACYJNYCH
ELEKTRYCZNE SIŁOWNIKI ZAWORÓW W siłownikach elektrycznych energia elektryczna przetwarzana jest na energię mechaniczną, która wykorzystywana jest do napędzania elementu nastawczego. Trzpień siłownika napędzany jest silnikiem za pośrednictwem przekładni redukcyjnej zębatej o dużym przełożeniu (zmniejszenie prędkości) oraz przekładni ślimakowej zamieniającej ruch obrotowy wruch posuwisty.
SIŁOWNIKI ELEKTROHYDRAULICZNE na przykładzie firmy Landis & Gyr. Energia elektryczna wtym siłowniku służydo napędu pompy tłokowej (3) przetłaczającej olej ze zbiornika (1) nad tłokiem (2) siłownika do cylindra pod tłokiem. Ciśnienie oleju pokonując opór sprężyny (4) powoduje przemieszczanie się przymocowanego do cylindra trzpienia siłownika (6). Otwarcie zaworu elektromagnetycznego (5) na przewodzie upustowym do zbiornika (1) powoduje wyciskanie przez sprężynę powrotną (4) oleju spod powierzchni tłoka i przemieszczanie się trzpienia (6) siłownika w kierunku przeciwnym.
SIŁOWNIKI ELEKTROHYDRAULICZNE Elektrohydrauliczne elementy napędowe dobrze odpowiadają wymaganiom elementów nastawczych, gdyż umożliwiają łatwe realizowanie dużych sił i powolnego ruchu elementu nastawczego. Siłowniki elektrohydrauliczne rozwijają dużą siłę nacisku w porównaniu z siłownikami elektrycznymi z zębatą przekładnią mechaniczną. Siłowniki elektrohydrauliczne sąwielokrotnie lżejsze od elektrycznych przy tej samej mocy.
SIŁOWNIKI TERMOELEKTRYCZNE Siłowniki termoelektryczne powstały przez modyfikację termostatów przygrzejnikowych. Wsiłownikach tych sprzężony ztrzpieniem (3) element (2) zamykający zawór zwiększa swoją objętość przez podgrzewanie przy pomocy grzałki elektrycznej (1). Wzrost temperatury powoduje przemieszczanie się trzpienia siłownika i zamykaniezaworu. Wyłączenie zasilania elektrycznego powoduje ochładzanie siłownika iotwieranie zaworu. Siłownik ma w zasadzie działanie dwustawne. Jednak ze względu na czas potrzebny do podgrzania i ponownego schłodzenia siłownika działanie to przyjmuje charakterquasiciągły.
SIŁOWNIKI ELEKTROMAGNETYCZNE Zasada działania siłownika (cewki elektromagnetycznej) polega na wykorzystaniu siły działającej na materiał ferromagnetyczny w polu magnetycznym. Pole magnetyczne wytwarzane wrdzeniu wskutek przepływu prądu przez cewkę elektryczną (1) powoduje powstanie siły działającej na rdzeń (3). Rdzeń przesuwa się, powodując przestawianie połączonego znim grzybka zaworu (5). Po wyłączeniu zasilania cewki rdzeń ipołączony z nim grzybek przesuwany jest pod wpływem sprężyny (4) wpołożenie pierwotne.
SIŁOWNIKI ELEKTROMAGNETYCZNE W zależności od rodzaju uzwojenia cewki (lewoskrętne lub prawoskrętne) oraz usytuowania sprężyny,zawory mogą być otwarte lub zamknięte wstanie beznapięciowym.
Elementy wykonawcze Przepustnice regulacyjne powietrza Przepustnice regulacyjne lub nastawcze stosuje się w instalacjach powietrznych do zmian ilości lub ciśnienia powietrza w zależności od zadanych wielkości np. temperatury, prędkości, ciśnienia. Są one jednoelementowe lub wieloelementowe, te zaś dzielą się na: a) przepustnice żaluzjowe z łopatkami współbieżnymi, b) przepustnice żaluzjowe z łopatkami przeciwbieżnymi.
Przepustnice jednoelementowe i wieloelementowe
Zastosowanie przepustnic Przepustnice do zewnętrznego powietrza i powietrza wywiewanego na początku i końcu instalacji służą do zamykania imają ztego względu mają działanie dwupozycyjne zamknięty-otwarty. Przepustnice dławiące do zmiany ilości powietrza powinny z reguły posiadać przeciwbieżne łopatki.
Zastosowanie przepustnic Przepustnice mieszające są stosowane w urządzeniach klimatyzacyjnych do mieszania powietrza recyrkulacyjnego z powietrzem zewnętrznym.
Przepustnica obejściowa dla wymiennika ciepła Przepustnice obejściowe powinny mieć opór przy otwarciu w przybliżeniu równy oporowi drugiej przepustnicy powiększonej oopór wymiennika ciepła, tak aby ilość powietrza pozostawała wprzybliżeniu stała (zwężenie, duża prędkość).
Siłowniki elektryczne przepustnic wentylacyjnych Do napędu przepustnic są stosowane siłowniki elektryczne, w których element nastawczy wykonuje ruch obrotowy w zakresie 0 do 90.
Siłowniki elektryczne przepustnic wentylacyjnych Dobierając siłownik przepustnicy należy zwrócić uwagę na: Moment obrotowy. Minimalna wartość tego momentu w[nm] powinna być równa co najmniej pięciokrotnej wartości pola powierzchni czołowej przepustnicy w[m2]. Napięcie zasilania. Napięcie zasilania 24 V lub 230 V powinno być dostosowane do napięcia stosowanego wukładzie regulacji. Sygnał sterujący. Siłowniki przepustnic mogą być sterowane sygnałem zamknij/otwórz (dwustawnie), sygnałem krokowym - pulsacyjnym (trójstawnie), proporcjonalne - sygnałem analogowym (0 10V) lub binarnie np. magistralą LonWorks. Funkcja bezpieczeństwa. Przepustnice, które muszą być zamykane lub otwierane po zatrzymaniu urządzenia wentylacyjnego powinny być wyposażane wsiłowniki ze sprężyną powrotną.
Podział i rodzaje czujników Automatyzacja instalacji w inżynierii środowiska wymaga zastosowania czujników służących do pomiaru takich wielkości jak: temperatura, ciśnienie, wilgotność, prędkość przepływającego medium, strumień objętości, strumień ciepła, entalpia, jakość powietrza, zawartość CO2, poziom cieczy, ruch, obecność itp.
CZUJNIKI TEMPERATURY Czujniki temperatury posiadają element czuły na temperaturę, który przy zmianie temperatury (wejście) zmienia wartość sygnału wyjściowego. Wzależności od zastosowanej zasady pomiaru temperatury czujniki można podzielić na: rezystancyjne, termoelementy, bimetalowe, manometryczne icieczowe.
CZUJNIKI REZYSTANCYJNE Wtypowych układach zregulatorami cyfrowymi stosowane sączujniki rezystancyjne zelementami zmieniającymi swoją oporność elektryczną przy zmianie temperatury. Są to przeważnie oporniki drutowe lub warstwowe zplatyny lub niklu, jak również specjalne elementy półprzewodnikowe termistory. Opór elektryczny czujnika rezystancyjnego oznaczonego w literaturze symbolem RTD (ang. Resistance Temperature Device) zależy od temperatury, wzrasta ztemperaturą. Termometryrezystancyjne robione sąnajczęściej zplatyny iniklu. Wybór materiału na termometr rezystancyjny zależy od zakresu temperatury, wymagań antykorozyjnych, wymagań co do mechanicznej trwałości ikosztu.
Czujniki rezystancyjne platynowe Są najszerzej stosowane do pomiarów cieplnych, ponieważ platyna jest najbardziej trwała iodporna na korozję. Termometrem platynowym do dokładnych pomiarów jest termometr Pt100, co oznacza, że rezystancja czujnika w temperaturze 0 C wynosi 100 Ω (R0= 100 Ω). Pt500 Pt1000
Czujniki rezystancyjne platynowe Termometrrezystancyjny platynowy: a) zuzwojeniem umieszczonym wewnątrz obudowy ceramicznej, b) zuzwojeniem nawiniętym na zewnątrz, c) cienkowarstwowy
Czujniki rezystancyjne platynowe Rysunek a: Czujnik z platynowym uzwojeniem 1, umieszczonym w okrągłych studniach wywierconych w ceramicznej obudowie 2, uzwojenie uszczelnione jest w obudowie szklanym szczeliwem 3. Termometr tego typu przystosowany jest raczej do wyższych temperatur. Rysunek b: Typ czujnika oprostej konstrukcji stosowany do pomiaru temperatury umiarkowanego środowiska termicznego. Na pręcie ceramicznym 2 nawinięte jest uzwojenie platynowe 1 (z przyspawanymi przewodami zewnętrznymi 4 w obrębie czujnika), które jest pokryte szklaną polewą 5.
Czujniki rezystancyjne platynowe cienkowarstwowe Na rysunku cpokazano konstrukcję czujników platynowych temperatury firmy Heraeus Sensor-Nite (ang. New Innovative Technologies for the Environment). Czujnik zawiera (wykonaną techniką fotolitograficzną) cienką warstwę platynowego rezystora 1 naniesioną na płytkę 2pokrytą tlenkiem glinu Al2O3, którą przykrywa płytka szklana 3zwtopionymi stykami 4iprzewodami 5. Dla uszczelnienia strefę styków 4przykrywa warstwa 6z pasty szklano-ceramicznej.
Termistory Wykonywane są z polikrystalicznych półprzewodników, w postaci tlenków metali: chromu, manganu, żelaza, kobaltu, niklu imiedzi. Małe stałe czasowe oraz duża dokładność przyczyniła się do szerokiego stosowania tych czujników. Dzięki wysokiej wartości oporności nie wymagają układów kompensacji oporności linii łączącej czujnik z regulatorem, co znacząco obniża koszt okablowania układu automatyki. Termistory typu NTC (ang. Negative Temperature Coefficient) charakteryzują się dużym jednostkowym spadkiem oporu elektrycznego przy wzroście temperatury. Przykładowa charakterystyka czujnika NTC patrz tabela poniżej.
Temperatura C Rezystancja Ω -5 8093 0 7661 +5 7182 10 6667 15 6126 20 5573 25 5025 30 4492 35 3987 40 3518 45 3089 50 2702 55 2358 60 2056 65 1792 70 1563 75 1364 80 1193 85 1047 90 921 95 815
Pasywne i aktywne czujniki temperatury W zależności od typu regulatora czujniki rezystancyjne mogą być łączone bezpośrednio do regulatora jako czujniki pasywne (pomiar rezystancji), mogą być również wykonywane w połączeniu z przetwornikiem elektrycznym, ze standardowym sygnałem elektrycznym na wyjściu zczujnika 0-10 VDC lub 0(4)-20 ma, jako czujniki nazywane aktywnymi.
Czujnik do pomiaru temperatury powietrza w kanale (kanałowy)
CZUJNIKI ZANURZENIOWE POMIAR TEMPERATURY CIECZY SPOSÓB MONTAŻU
CZUJNIK PRZYLGOWY SPOSÓB MONTAŻU
Pomieszczeniowy czujnik temperatury powietrza oraz czujnik temperatury z nastawnikiem
ZALECENIA DOTYCZĄCE MONTAŻU CZUJNIKÓW POMIESZCZENIOWYCH
Czujnik temperatury powietrza zewnętrznego Zalecenia dotyczące lokalizacji czujnika temperatury powietrza zewnętrznego w systemach ogrzewania budynków
ELEKTRYCZNE CZUJNIKI WILGOTNOŚCI Czujnik kanałowy i pomieszczeniowy
ELEKTRYCZNE CZUJNIKI WILGOTNOŚCI Zasada działania elektrycznych czujników wilgotności oparta jest na zastosowaniu substancji lub złożonych układów, które absorbują lub tracą wilgoć przy zmianie wilgotności względnej otoczenia, co powoduje zmianę właściwości elektrycznych układu jak impedancja i pojemność elektryczna lub inne parametry elektryczne. Czujniki elektryczne mogą mieć wyjście napięciowe lub częstotliwościowe, w przypadku którego stosuje się przetwornik częstotliwościowo-napięciowy dla uzyskania sygnału napięciowego proporcjonalnego do wilgotności.
ELEKTRYCZNE CZUJNIKI WILGOTNOŚCI a) Czujnik rezystancyjny Dumnore'a, b) Czujnik pojemnościowy z tlenkiem glinu: model struktury czujnika i układ zastępczy czujnika.
Czujnik rezystancyiny Dunmor'a Zawiera dwie elektrody (rys.) naniesione na płytkę pokrytą warstwą zutrwalonym 2do 5% roztworem chlorku litu.
Czujniki pojemnościowe z tlenkiem glinu. Czujnikiem jest płytka aluminiowa znaniesioną elektrolitycznie warstwą tlenku glinu o dużej higroskopijności (ma strukturę włóknistą z podłużnymi porami skierowanymi ku powierzchni). Tlenek pokrywa przepuszczalna dla wilgoci mikrowarstewka naparowanego chromu lub złota. Nie trawiona część płytki aluminiowej oraz metalowa warstwa stanowiąca elektrodę tworzą dwie elektrody, okładki kondensatora złożonego zwarstwy tlenku glinu.
Czujniki ciśnienia Wprzetwornikach ciśnienia elementem pomiarowym jest membrana lub piezorezystor. Piezorezystorami nazywa się czujniki wykonane z materiałów półprzewodnikowych, których rezystancja zależy od naprężeń w materiale. Zachodzące pod wpływem zmian ciśnienia odkształcenia membrany lub zmiany rezystancji elementu piezorezystora w przetworniku przetwarzane są na standardowy sygnał elektryczny napięciowy lub prądowy.
CZUJNIK PRZEPŁYWU budowa i działanie Przełącznik elektryczny z łopatką zanurzoną wmedium (w przewodzie) zwiera lub rozwiera styki elektryczne, co generuje sygnał alarmu o przekroczeniu lub spadku wartości strumienia poniżej wartości zadanej (określonej m.innymi wielkością łopatki).
Pomiar zawartości CO2 w powietrzu - czujnik optyczny Schemat blokowy czujnika optycznego zawartości CO2 wraz z układem przetwarzającym. Oznaczenia: 1,2 fotodiody odbiorcze, 3 dioda nadawcza emitująca światło, 4,5 wzmacniacze sygnałowe, 6 drajwer impulsowy, 7 mikrokontroler zasilający, 8 wyświetlacz, 9 interfejs RS232/485. Czujniki CO2 działają w oparciu o technologię nie rozproszonej podczerwieni (NDIR), dają sygnał wyjściowy 0...10Vdc lub cyfrowy odpowiadający koncentracji 0...2030 ppm (cząsteczek na milion) CO2
Czujnik jakości powietrza VOC Czujnik jakości powietrza w pomieszczeniu służy do pomiaru zawartości niekorzystnych składników w postaci łatwo utleniających się gazów organicznych lub par (VOC Volatile Organic Compounds -lotne składniki organiczne). Pomiar umożliwia optymalizację jakości powietrza w pomieszczeniu oraz ograniczenie zużycia energii poprzez określenie niezbędnego zapotrzebowania powietrza świeżego.
Oszczędności energii wynikające z zastosowania czujników jakości powietrza VOC w systemach wentylacji
System zliczania liczby osób Systemy zliczania liczby osób stosuje się do ustalania liczby osób przebywających wdanym momencie wobiekcie np. hali sprzedaży supermarketu i wyznaczania na tej podstawie w systemach wentylacji pomieszczeń ilości powietrza świeżego podawanego przez wentylatory nawiewne, przy założeniu jednostkowego strumienia minimalnego przypadającego na jedną osobę. Wsystemach tych wykorzystuje się pyroelektryczne czujniki podczerwieni.
System zliczania liczby osób - zasada działania Czujniki umieszczone w bramach wejściowych i wyjściowych działają na zasadzie pasywnych czujników podczerwieni reagujących na promieniowanie cieplneosób przechodzącychwobu kierunkachwstrefie ich zasięgu. Informacje z czujników przesyłane są do mikroprocesorowego analizatora z możliwością dalszego przesyłania danych wformie cyfrowej, po RS 232, lub w formie niezależnych impulsów oddzielnie dla osób wchodzących i osób wychodzących.
System zliczania liczby osób zasada działania Elementy składowe czujników pyroelektrycznych wytwarzają wzakresie strefy roboczej po dwie kurtyny po stronie wewnętrznej bramy i po stronie zewnętrznej.
System zliczania liczby osób zasada działania Osoby wchodzące w przestrzeń pomiędzy kurtyny wewnętrzne lub zewnętrzne generują sygnały informujące oilości osób wchodzących i wychodzących.
KONIEC WYKŁADÓW do zobaczenia na kolokwium J